机械设计基础 力学基础

工业设计机械基础 1机械零件工作能力及变形形式 2轴的拉伸和压缩 3剪切和挤压 4圆轴的扭转 5弯曲 6疲劳强度概述 第三章机械设计力学基础 1机械零件工作能力及变形形式 一 机械零件的工作能力 工作能力 机械零件不发生失效的安全工作限度 失效 零件丧失工作能力或达不到设计要求 破坏 常见失效形式 断裂 塑性变形 疲劳破坏 表面磨损 过大的弹性变形 连接松动 打滑等 对受载零件而言 零件的工作能力为承载能力 主要包括强度和刚度两个方面 强度 指零件在外载下抵抗断裂和塑性变形的能力 刚度 指零件在外载下抵抗过大弹性变形的能力 刚度不足影响强度 刚度不足影响加工精度 二 机械零件变形的基本形式 1 拉伸 2 压缩 3 挤压和剪切 4 扭转 5 弯曲 2轴的拉伸和压缩 一 横截面上的内力和应力 F F 外力 内力 平衡方程 Fx 0 FA F 根据内力并不能判断轴的强度 应力 截面上单位面积所受内力 应力单位 MPa N mm2 根据应力也不能判断轴的强度 二 金属材料的力学性能 低碳钢拉伸时的力学性能 标准试样尺寸d0 L0 拉伸试验 力 伸长量线图 消除尺寸影响 F 应力 F A0 l 应变 l L0 应力 应变线图 弹性阶段 Oa段 ab段 弹性变形 a点应力比例极限 b点应力弹性极限 屈服阶段 bc段 不增大载荷时 应变明显增大 失去抵抗 称为屈服现象 最低点c点应力屈服极限 s lim s 强化阶段 cd段 增大变形 需增大拉力 称为材料的强化 最高点d点应力强度极限 b 颈缩阶段 de段 试件局部变细 出现颈缩现象 继续变形所需拉力减小 e点试样断裂 铸铁拉伸时的力学性能 弹性变形无直线部分无屈服现象和颈缩现象断裂时强度极限不高 应变小 lim b 金属材料压缩时的力学性能 铸铁抗压能力大于抗拉能力 胡克定律和泊松比 低碳钢拉伸试验时 在比例极限内 应力与应变成正比 E 弹性模量 碳钢一般E 190 210GPa 三 轴向拉压的强度条件 零件轴向拉压时要满足强度条件 lim 塑性材料 lim s 脆性材料 lim b 实际强度计算中 需留出一定安全裕度 引入许用应力 S 安全系数 其取值要恰当 可查手册 轴向拉压时的强度条件 A 危险截面面积 mm2 F 轴向力 N 应力 MPa 四 应力集中 零件截面突变的地方 应力急剧增大 即应力集中 应力集中往往是零件破坏的根源 零件截面突变越明显 应力集中越大 因此设计零件时应减少截面突变 例题 铁水包吊杆为矩形截面 尺寸如图 吊杆材料许用应力 80MPa 铁水包自重8kN 最多可装30kN重的铁水 试校核吊杆的强度 3剪切和挤压 FS 剪力 F 挤压力 剪切强度 挤压强度 两个零件相互挤压时 被挤压面受挤压应力 4圆轴的扭转 在外力偶矩作用下使轴发生绕轴线的转动 即扭转变形 在物体对称两侧作用大小相等 方向相反的一对力 扭矩图 扭矩正负 右手螺旋法则 拇指背离截面为正拇指指向截面为负 切应力分布如图 扭转强度条件为 5弯曲 外力垂直于杆件轴线 使轴线由直线变为曲线 即弯曲变形 梁 载荷作用于纵向对称面 一 弯曲内力 弯矩 M FRA L1 F1 L1 a 剪力 FS FRA F1 弯矩正负 AC段 M x FRA x 0 x a CB段 M x FRA x F x a a x L FRB L x a x L 二 弯曲应力与强度条件 抗弯截面系数Wz 弯曲应力分布 6疲劳强度概述 一 载荷与应力的分类 载荷的分类 机器运转时载荷不均匀 分布也不均匀 故 实际载荷 名义载荷 K 载荷系数 应力的分类 r 1对称循环应力 r 0脉动循环应力 非对称循环应力 静应力只能由静载荷产生 变应力可能由变载荷或静载荷产生 在变应力下 零件的主要失效形式为 疲劳破坏 最大应力远小于材料极限应力 疲劳断口 无明显塑性变形的